大气波导对预警直升机执勤高度选择决策的影响分析

2009年第 4期 中国雷达 China Radar 1 大气波导对预警直升机执勤高度 选择决策的影响分析 孙 健，姚景顺，朱锦辉，刘文正 (海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018) 摘 要：为了科学合理地选择预警直升机的执勤高度，本文分析了大气波导对于电磁波传播的影响， 并在 APM模型的基础上对大气波导条件下雷达在不同高度上的作用效果进行 了仿真计算，对于合理选 择预警直升机的执勤高度具有一定的参考价值。 关键词：预警直升机；执勤高度；大气波导；P—J模型；AMP 1 引 言 预警直升机预警能够克服地球曲率对电磁波传播 的影响，因而对低空和海面 目标具有更好的探测效果。 以往认为，在机载雷达功率允许的条件下，预警直升机 的飞行高度越高，其对 目标的探测距离越远。而在实际 使用过程中，气象因素对电磁波的传播也有着重要影 响，应该作为选择预警直升机执勤高度时的一个因素来 进行考虑。 2 P-J蒸发波导模型 大气波导是影响电磁波传播的一个主要天气现象， 在广阔的海面上经常出现的是蒸发波导。目前确定蒸 发波导高度的计算模式有多种，主要包括 p-j模式、 MGB模式、Babin模式、NEW 模式、LOCAL模式和 G ^ g V 姬 曲 — ◆一P．J模式计算值 ⋯前～实际测量值 1 3 5 7 9 ll l3 15 l7 l9 2l 23 时间 (h) 图1 P_J模式计算结果与实测值的比较 模式等。这些模式基本原理相同，都是依据近地层相似 理论推导出来的，只是用于确定近地层通量和特征尺度 的方法有所不同。其中，p-J模式可靠性较好，同时具 有很好的准确度，尤其在短时间内的准确度比较好，如 图 1所示 。 P_J模式是经 R．A．Paulus修正后的 Jeske模式， 也称 Paulus-Jeske模式，目前已被应用于美国海军评估 电磁波传播的业务软件系统 AREPS中。在海洋大气 边界层的近地层中，该模式依据 Monion-Obukhov相似 理论推导出蒸发波导高度 H计算。 对于稳定或中性层结： H ：：：—— L (1) 6B．一 △NP 式中：B．===ln(等)+ I~f--,1。 对于非稳定层结： H===[c c 。]1／4 式中： B．一In(孕)一 ‘ 21)， 其中 Zl ／-tO )一 L L Z 二 dZ， 一 20．8 。一 1。式(1)、式(2)中 —— ， 一 ． 。一 1。式(1)、式(2)中 zo L △N。为参考高度Z 与海面之间的位折射指数差值； Z0为水 动力 形 成 的海 面粗 糙度 高 度，通 常取值 0．000015m；口依据 Monion-Obukhov对数线性关系取 值 5．2； 依据 KEYPS关系取值 4．5；L 为 Monion- Obukhov长度，通过 Richardson与廓线系数之间的经 典关系得出。 2 孙 健，等：大气波导对预警直升机执勤高度选择决策的影响分析 2009年第 4期 3 APM模型 3．1 APM模型的特点 APM(Advanced Propagation Mode1)是指高级电 磁波传播模型。该模型主要是通过电磁波、地形和大气 参数的输入，利用 TLM模式解出电磁波在空间的传播 损耗。由于考虑了多种的传播条件，所以混合电磁传播 模型与实际电磁能量分布较为一致，也即模型的保真度 高，能够适应各种复杂的电磁环境。模型的特点为： · 适用频率范围为 2"--95GHz； · 对地形数据的分辨率无约束； · 对折射率梯度的分辨率也无约束； · 计算高度可以达到 50km，计算距离则无限制； · 能适用于舰载和机载平台； · 传播路径可在海面、陆地和沿海海陆混合路径。 3．2 APM模型的组成 雷达电磁波在近海面大气中的传播是电磁波在有 限非均匀介质中传播的特例，工程实践上国内外通常用 抛物线 Parabolic Equation(PE)模型和几何光学 Ray- Optic(RO)模型来描述，对频率高端雷达主要是几何光 学模型，低端则主要是抛物线模型。APM是射线光学 和抛物方程理论的混合模型，它克服了抛物方程模型计 算量大的缺点，将传输区域分成四个部分，即 Flat Earth(FE)、Ray Optics(RO)、Parabolic Equation(PE) 和Extended Optics(XO)。APM 区域划分如图 2所 刁 。 天线抬升角大于 5。或者距离小于 2500m时，采用 平地面 FE模型，这种模型完全忽略了折射率和地球曲 率的影响。对于 FE空域以远的区域，当直射波经过反 射后的反射波的掠射角大于一个限制角时，采用无线电 光学模型RO，在这里考虑折射率梯度结构和地球曲率 的影响，采用光学干涉的传播模型进行计算。对于 RO 区域以远的空域，一定高度以下的空域采用地形抛物方 程模型 TPEM。由于受到抛物方程近似过程中低掠射 角限制和快速傅立叶变换 FFT的最大离散点的限制， TPPE区域具有高度限制，在这里使用分步傅立叶的方 法求解抛物方程计算传播损失。而在 RO区域以远， TPEM区域以上的空域，采用扩展光学模型XO，在这 里主要采用射线一光学的方法计算传播损失。 图 2 APM 区域划分图 4 雷达模型 电磁波传播模型的计算结果为电磁波在传播空间 中各点的传播损耗和传播因子，而在实际使用中用户更 关心的是概率。本研究综合考虑到脉冲积累、目标 起伏等因素的影响，采用 Blake的搜索雷达方程来计算 雷达最大探测距离，用 Barton和 Alberhseim的方法计 算各种目标起伏模型下的检测门限。 对于简单脉冲雷达，雷达的检测门限D0由下式确 定： Do一 ( +√ +( )) ㈣ 式 中：zo一 (gfa+ge)。；gb一 2．36 ／-lg(Pf．)一1．02； gd一 _ 1 ．Z3t ； 一0．9(2Pd一1)。这里：Lf是起伏损失； √ l— t Pd是检测概率；P 是虚警概率；Np为脉冲积累数，脉冲 积累数是当雷达天线扫过目标时，接收机可得到的脉冲 回波数量。对于简单脉冲雷达，脉冲积累数Np由下式确 定： Np一 (4) 式中： 为雷达水平波束宽度，单位为。； 为脉冲重复 频率，单位 Hz； 为天线每分钟的转速。对 Swerling 0 非起伏目标，Lf一1。对起伏 目标，对应于Swerling 1，则 L ：————j-_——一 (5) _ln(Pd)(1+ ) 如雷达的计算类型设置成可见度因子方式，计算时需提 供可见度因子用于替代公式(1)。 Blake公式通常用于计算 自由空间雷达探测距离， 2009年第 4期 中国雷达 China Radar 3 在系统噪声温度默认设置为 290K的情况下，雷达作用 距离公式可以描述为 Rh一58~／P,~a-r-Z (6) 式中：P 为发射机功率； 为目标截面积；r为脉冲宽度； Z是雷达参数的函数，且 Z： 1o (7) = 1O—— (7) 式中：G为天线增益；Nf为接收机噪声系数；L。为混杂 的系统损耗。接收目标信号强度为 P =--73．4+10lg(等竽)+2G_Ls(8) 这里，r代表距离，F代表传播衰减因子。信噪比计算公 式为 S／N — P 一P (9) 这里，P 代表接收目标功率，P 代表系统噪声功率。噪 声功率公式为 Pn一1olg( )+Nf (10) 5 海面散射 根据雷达方程，返回雷达的表面散射功率为 P。一篙 式中：G为天线增益(假定天线收发增益相同)；F为传 播因子；R为距离；L为假定的系统损失。噪声功率为 PN一 —4 X 10 — - 15Nf (12) 式中：r为脉冲宽度；Nf为噪声系数；杂波噪声比CNR (dB)为 CNR_1 Olg( ) (13) 6 仿真算例 根据上述模型，运用 VC++ 6．0、Visum Fortran 6．5和 MATLAB 6．1软件，通过想定雷达参数、目标性 质和气象环境，对预警直升机搜索雷达在不同高度上工 作时的电磁波空间分布情况进行仿真计算和分析。 6．1 参数想定 雷达参数、目标信息和气象数据的想定分别见表 1、表 2和表 3。 表 1 雷达数据想定 简单脉冲 水平波束 雷达类型 3 雷达 宽度(。) 天线类型 S1n |z 系统损耗(dB) 3 脉冲重复 极化方式 水平 200 频率(Hz) 天线转速 接收机噪声 6 5 (r／rain) 系数(dB) 工作频率 4 00 虚警概率 1×10— (MH z) 峰值功率 天线增益 1 000 25 (kW) (dB) 脉冲宽度 垂直波束 1 0 10 (“s) 宽度(。) 6．2 表 2 目标信息想定 目标类型 反舰导弹 雷达截面积(rn2) O．O1 表 3 气象数据想定 气温(℃) 20 相对湿度(％) 12 海面温度(℃) 16 海面风速(1(n) 10 海面风向(。) 120 分别对预警直升机在 3500m、2000m、lO00m和 500m时对特定目标的发现概率进行计算和仿真，结果 如图3～6所示。 通过仿真计算结果可以看到，在上述气象条件下， 预警直升机在 3500m和 2000m高度执勤时，对低空小 目标的探测距离相差无几，但在 2000m高度上时，雷达 电磁波在空间的分布情况好于在 3500m时，雷达盲区 较少。预警直升机在 1000m高度上对低空小 目标的探 测距离小于在 2000m时，但在 lO00m高度上，预警直升 机对于处于 200 lO00m高度范围内目标的探测效果 更好。 因此，指挥员在决定预警直升机执勤高度时，如果 十分注重对超低空区域的探测，则可以考虑将执勤高度 定为 2000m；如果在探测超低空区域的同时，希望兼顾 对 2OO～lO00m区域内目标的探测，则可以考虑将执勤 高度定为 lO00m。 4 孙 健，等；大气波导对预警直升机执勤高度选择决策的影响分析 2009年第 4期 高度 (m) 距离 (km) 图3 雷达高度 3500m时的作用效果 高度 (m) 160 距离 (km) 图5 雷达高度 1000m 时的作用效果 7 结束语 气象环境是影响电磁波传播的重要因素。本文通 过对大气波导高度的计算，在 APM模型的基础上对预 警直升机在不同工作高度上时雷达电磁波的分布情况 进行了仿真计算。仿真结果表明，在确定预警直升机的 执勤高度时，指挥员要充分考虑大气波导的影响，从而 选择预警直升机最佳的执勤高度。 [1] [2] [3] [4] l60 距离 (km) 图4 雷达高度 2000m时的作用效果 高度 (m) 16O 距离 (km) 图 6 雷达高度 500m 时的作用效果 参 考 文 献 姚景顺 ，杨世兴，辛民．PJ蒸发波导模型与雷达探测距离 EJ]．现代雷达，2008(8)：32—36 姚晓白，赵晓哲．舰载直升机在舰艇编队对低空目标预警 中的使用研究[J]．现代防御技术，2002(3)：6-9 姚景顺．编队预警探测．海潮出版社，2007 田斌，察豪．蒸发波导雷达探测距离的影响口]．网络与通 信，2007(1-3)：145—146